不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力分析

李惠通,張 蕓,魏志超,賈代東,劉雨暉,劉愛琴*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002; 2.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002; 3.福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場，福建 三明 365002)

不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力分析

李惠通1，2,張 蕓1，2,魏志超1，2,賈代東1，2,劉雨暉3,劉愛琴1，2*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002; 2.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002; 3.福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場，福建 三明 365002)

[目的]研究不同發(fā)育階段(幼齡林、中齡林、成熟林)對(duì)杉木人工林土壤肥力的影響，為揭示杉木地力衰退的原因提供依據(jù)。[方法]通過對(duì)南方杉木中心產(chǎn)區(qū)不同發(fā)育階段杉木人工林土壤理化性質(zhì)的測定，利用數(shù)學(xué)模糊評(píng)價(jià)和主成分分析2種方法， 綜合比較不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力。[結(jié)果]不同發(fā)育階段對(duì)人工林土壤物理、化學(xué)性質(zhì)均有顯著影響。在同一發(fā)育階段中，杉木人工林表層土與底層土之間存在差異(p<0.001)；土壤質(zhì)量含水量對(duì)土壤物理性質(zhì)具有顯著指示作用，有機(jī)質(zhì)、pH值與土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著相關(guān)；主成分分析和模糊評(píng)價(jià)方法均得出不同發(fā)育階段杉木林土壤肥力呈現(xiàn)幼齡林>成熟林>中齡林的規(guī)律。[結(jié)論]隨著杉木栽植時(shí)間的增長，需要采取施肥、間伐等人工干預(yù)恢復(fù)地力，進(jìn)而滿足杉木速生需求。

杉木；發(fā)育階段；土壤肥力；主成分分析；數(shù)學(xué)模糊評(píng)價(jià)方法

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook)是我國南方特有的速生用材樹種，具生長快、材質(zhì)好、用途廣等特點(diǎn)，目前栽植面積占全國人工林面積的30%以上[1-2]，大量研究表明，杉木人工林生產(chǎn)力下降和地力衰退現(xiàn)象明顯，連栽[3-4]、不合理經(jīng)營措施[5-7]、短輪伐期[8-9]、杉木自身生物學(xué)特性[10]等均可能是引起地力衰退的原因。但由于研究地區(qū)和研究對(duì)象空間異質(zhì)性以及林業(yè)研究的長期性，目前國內(nèi)外對(duì)導(dǎo)致杉木地力衰退的原因還沒有完全弄清，因此進(jìn)一步開展杉木人工林土壤肥力的規(guī)律研究，為揭示杉木地力衰退的原因提供科學(xué)依據(jù)顯得極為必要。

人工林的不同發(fā)育階段貫穿林木生長的整個(gè)生命周期，了解林木不同發(fā)育階段土壤肥力及林木的需肥特性對(duì)人工林經(jīng)營具重要生態(tài)學(xué)意義[11]。王宏星[12]、崔寧潔[13]和衣曉丹[14]等對(duì)日本落葉松(LarixkaempferiCarr.)、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)和杉木等人工林不同發(fā)育階段的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行過探討，表明在林木整個(gè)生長發(fā)育過程中，由于生長環(huán)境不斷變化，不可避免的對(duì)土壤肥力狀況產(chǎn)生影響，導(dǎo)致不同發(fā)育階段土壤肥力間存在差異。

土壤肥力評(píng)價(jià)能夠揭示土壤利用和功能有關(guān)的土壤內(nèi)在屬性之間的異同，科學(xué)的確定森林土壤肥力指標(biāo)并進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)立地生產(chǎn)力和多目標(biāo)森林經(jīng)營的研究也具有重要價(jià)值[15]。雖然目前已有不少杉木人工林土壤肥力評(píng)價(jià)方面的研究[16-17]，但運(yùn)用多種合理的數(shù)學(xué)分析方法在相同條件下不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力的綜合比較研究相對(duì)較少[18]。有鑒于此，本研究選擇位于全國杉木中心產(chǎn)區(qū)的福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場不同發(fā)育階段的杉木人工林(幼齡林、中齡林、成熟林)為研究對(duì)象，研究測定不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力指標(biāo)，在分析不同發(fā)育階段和不同土層土壤肥力指標(biāo)基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模糊評(píng)價(jià)[19]和主成分分析[20]2種方法，綜合比較不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力，揭示土壤肥力隨林分生長和土層深度的變化規(guī)律，為進(jìn)一步揭示杉木人工林地力衰退提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

表1 不同發(fā)育階段杉木人工林樣地概況

注: 表中幼齡林林齡為5年，中齡林林齡為15年，成熟林林齡為24年，均按采樣時(shí)間計(jì)算。

Note: In the table, the Juvenile age is 5, the Medium age is 15, the Mature age is 24, and the calculation according to the sampling time.

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2015年1月，在福建三明莘口教學(xué)林場內(nèi)，選擇海拔、母巖、立地等條件相近的杉木幼齡林(2010年造林)、中齡林(2000年造林)和成熟林(1991年造林)為試驗(yàn)林分，在每個(gè)發(fā)育階段的杉木林中設(shè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地9個(gè)，共設(shè)27個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地。

2.2 土樣采集

2.3 測定方法

采用環(huán)刀法測定土壤密度、質(zhì)量含水量、孔隙度、持水量等水分物理性質(zhì)指標(biāo)。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)。土壤總氮用碳氮元素分析儀(德國Elementar)測定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用AA3型雙通道流動(dòng)分析儀(德國Seal)測定，全磷、有效磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定，pH值采用電位法(土：水=1：2.5)測定[21]。

2.4 土壤肥力評(píng)價(jià)方法

2.4.1 主成分分析法 主成分分析(PCA)[22]的綜合評(píng)價(jià)模型為：

其中，F(xiàn)為綜合評(píng)價(jià)值，λ為特征值，f為主成分值。

2.4.2 模糊評(píng)價(jià)方法 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法是在確定各因子隸屬函數(shù)前提下，確定各層次的模糊矩陣，最后自下而上逐層進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)的方法。

土壤肥力綜合評(píng)價(jià)值(SFI)是把各肥力指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，利用加乘法則進(jìn)行合成，進(jìn)而評(píng)價(jià)土壤肥力優(yōu)良的一種方法。計(jì)算公式為：

其中，Wi和Pi分別是第i項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度；n表示總肥力指標(biāo)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同發(fā)育階段杉木人工林土壤物理性質(zhì)的比較

表2 不同發(fā)育階段杉木人工林土壤水分物理性質(zhì)

注: 表中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差，**表示在0.01水平差異顯著，*表示在0.05水平差異顯著。小寫字母表示同一發(fā)育階段不同土層間的差異顯著水平，大寫字母表示同一土層不同發(fā)育階段土壤各指標(biāo)的差異顯著水平(P<0. 05)，F(xiàn)值反映了林齡因素對(duì)土壤各指標(biāo)的顯著水平,n=9。

Note: Data in the table as mean ± standard deviation, **Shows significantly differences atP=0.01, *Shows significantly differences atP=0.05, Small letters represent the same stage of development differences among the significant level of soil, Big letters indicate differences in the same layer of soil at different developmental stages of each index significant (P<0.05).Fvalues reflect the significant level forest age factor of soil each index,n= 9.

3.2 不同發(fā)育階段杉木人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的比較

表3 不同發(fā)育階段杉木人工林土壤化學(xué)性質(zhì)

注: 同上。

Note: The same as table 2

3.3 不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力因子相關(guān)分析

表4可見，不同發(fā)育階段杉木人工林各個(gè)土壤肥力因子之間關(guān)系較為密切。其中，土壤水分物理性質(zhì)各指標(biāo)間的相關(guān)性較為顯著。質(zhì)量含水量除與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)外，與其他土壤物理指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)，說明質(zhì)量含水量對(duì)土壤水分物理性質(zhì)具有明顯指示作用。土壤有機(jī)質(zhì)除與有效磷和pH值無關(guān)，與其他化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，而且pH值與全氮、硝態(tài)氮、有效磷和全鉀也表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，說明有機(jī)質(zhì)與pH值對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)具有明顯的指示作用。

3.4 不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)

3.4.1 主成分分析 選擇表層土壤最大持水量、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、土壤密度、質(zhì)量含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、有效磷、全鉀和pH值組成該區(qū)域的土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行主成分分析。設(shè)置特征值大于1的抽取方法，得出表5中前5個(gè)主成分，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，為38.86%，第二、三、四主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為20.93%、10.24%和8.36%，第五主成分的方差貢獻(xiàn)率相對(duì)最小，為7.206%，并且抽取出的主成分累積方差貢獻(xiàn)率為85.59%(>85%)，證明可以基本反映土壤肥力系統(tǒng)的變異程度[23]。

表4 土壤肥力因子的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在 0.05 水平上顯著相關(guān),**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。n=8

Note:*Shows significantly differences atP=0.05, **Shows significantly differences atP=0.01,n=8.

表5 各變量的特征根及相應(yīng)的貢獻(xiàn)率

表6為5個(gè)主成分的特征向量值，可看出不同土壤肥力因子對(duì)該主成分的貢獻(xiàn)與反饋特征。

運(yùn)用主成分分析綜合評(píng)價(jià)模型，得到不同發(fā)育階段杉木林土壤肥力的綜合得分。從表7看出，不同發(fā)育階段杉木林土壤肥力的綜合得分分別為1.90、0.92、-1.26，其中以杉木幼齡林土壤肥力較高，隨后中齡林土壤肥力下降，到成熟林階段土壤肥力又有所恢復(fù)。

表6 5個(gè)主成分的特征向量

表7 不同發(fā)育階段土壤肥力綜合得分

3.4.2 模糊評(píng)價(jià)方法 根據(jù)前人研究[24-28],利用各評(píng)價(jià)指標(biāo)與植物生長效應(yīng)確定隸屬度函數(shù)。由于不同肥力指標(biāo)對(duì)土壤的貢獻(xiàn)不同，應(yīng)賦予不同權(quán)重。為避免主觀因素影響，采用相關(guān)系數(shù)法來計(jì)算。即首先根據(jù)之前各土壤因子的相關(guān)性分析分別求出各單項(xiàng)指標(biāo)與其余指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均值，再以該單項(xiàng)指標(biāo)占所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的百分比，作為該單項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重。

表8 土壤肥力指標(biāo)的隸屬度、相關(guān)系數(shù)均值、權(quán)重及最后得分Table 8 Membership, the average correlation coefficient, the weight and the final score of soil fertility

由表8得出，不同發(fā)育階段杉木人工林的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(SFI)分別是0.73、0.66和0.24，以幼齡林最高，成熟林其次，中齡林最低。

4 討論

不同發(fā)育階段對(duì)杉木人工林土壤物理和化學(xué)性質(zhì)有顯著影響。隨發(fā)育階段的增加，土壤密度先增大后減少，而土壤總孔隙度先減少后增加。說明隨著杉木的生長，在幼齡林至中齡林階段，林分郁閉度增加，林下光線愈發(fā)不足，使土壤水分條件下降，土壤密度和土壤總孔隙度朝惡化方向發(fā)展。但在中齡林至老齡林階段，土壤物理性質(zhì)又得到了好轉(zhuǎn)。這與王宏星[12]對(duì)日本落葉松人工林不同發(fā)育階段土壤理化性質(zhì)變化研究所得結(jié)果一致。土壤有機(jī)質(zhì)、總氮和全磷含量均以成熟林為最大，銨態(tài)氮和pH以幼齡林最大，硝態(tài)氮、有效磷和全鉀以中齡林最大。說明在不同林齡下土壤化學(xué)性質(zhì)都會(huì)因?yàn)榱窒轮脖?、微生物?shù)量和人為活動(dòng)等因素影響。因此，在林業(yè)經(jīng)營過程中，可以根據(jù)土壤具體條件來適當(dāng)添加肥料，保持杉木持續(xù)速生。

利用主成分分析法和模糊評(píng)價(jià)法對(duì)不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)表明，不同發(fā)育階段杉木人工林土壤肥力的優(yōu)劣排序?yàn)椋河g林>成熟林>中齡林。這可能與不同發(fā)育階段杉木的經(jīng)營措施有關(guān)。杉木幼齡林雖有進(jìn)行幼林撫育，但林分郁閉前林下植被較多，土壤肥力較好；中齡林后隨杉木生長和林分郁閉，林下光照不足，林下植被少，杉木生長消耗了土壤大量養(yǎng)分，導(dǎo)致其土壤肥力下降；當(dāng)杉木進(jìn)入成熟后，通過間伐和自然整枝等，林下光照條件改善，林下植被發(fā)育較快，其土壤肥力得到一定改善。這與張昌順[31]、馬祥慶[32]等研究結(jié)論一致。此外為逐步恢復(fù)杉木人工林地土壤條件，可根據(jù)不同發(fā)育階段的土壤肥力狀況采取測土配方施肥技術(shù)，對(duì)人工林進(jìn)行集約化管理，充分發(fā)揮閩北地區(qū)森林資源優(yōu)勢，彰顯杉木人工林的生態(tài)—經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)不同發(fā)育階段、同一發(fā)育階段不同土層之間人工林土壤物理、化學(xué)性質(zhì)均存在差異。

(2)土壤質(zhì)量含水量對(duì)土壤水分物理性質(zhì)具有顯著指示作用，而有機(jī)質(zhì)、pH值對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)有顯著指示作用。

(3)通過主成分分析和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)兩種方法，均得出幼齡林土壤肥力最好，其次是成熟林，中齡林土壤肥力較差。建議在杉木生長達(dá)中齡時(shí)適當(dāng)進(jìn)行施肥、間伐等人工干預(yù)，增加杉木人工林的經(jīng)濟(jì)—生態(tài)效益。

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(責(zé)任編輯：彭南軒)

Evaluation on Soil Fertility of Chinese Fir Plantations in Different Development Stages

LIHui-tong1,2，ZHANGYun1,2，WEIZhi-chao1,2，JIADai-dong1,2，LIUYu-hui3，LIUAi-qin1,2

(1.College of Forestry，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，F(xiàn)ujian，China； 2.Chinese Fir Engineering Research Centre of State Forestry Administration，F(xiàn)uzhou 350002，F(xiàn)ujian，China； 3.Xinkou Experimental Forest Farm of Fujian Agriculture and Forestry University, Sanming 365002, Fujian, China)

[Objective]To investigate the dynamics of soil fertility at different development stages (young forest, middle aged forest and mature forest) of Chinese fir (Cunninghamialanceolata) plantations. [Method] The soil fertility level at different development stages in Chinese fir plantation located at central and south China was investigated using fuzzy mathematical evaluation and principal component analysis. [Result]The results showed that the age of plantation had a significant impact on forest soil and its physical and chemical properties. Moreover, at each age there were significant differences (p<0.001) in soil properties between topsoil and subsoil. The correlation analysis revealed significant relation between water quality and soil physical properties. The organic matter, pH value also showed a significant relationship with soil chemical properties. The results of principal component analysis and fuzzy evaluation method indicated that the fertility level of Chinese fir plantations at northern Fujian hilly area followed the order of mature forest > young forest> middle aged forest. [Conclusion]With the growth of trees, it is needed to restore fertility by fertilizing, thinning and other manual intervention in order to satisfying the demand of Chinese fir for fast-growing.Keywords:Cunninghamialanceolata; forest development stage; soil fertility；PCA；Fuzzy mathematics evaluation

2016-07-28 基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0600301)，國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD09B010102)和福建農(nóng)林大學(xué)科技創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目(KF2015034)資助。 作者簡介： 李惠通(1992—)，男，重慶涪陵，碩士研究生，研究方向：自然資源管理。E-mail：huitongli1314@163.com * 通訊作者：劉愛琴(1966—)，女，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向：森林土壤及林木生理生化，森林與環(huán)境。E-mail：fjlaq@126.com

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.019

S791.27

A

1001-1498(2017)02-0322-07